高面质比卫星轨道动力学及其长期演化分析方法

发布时间：2020-07-07 10:47

【摘要】：高面质比卫星是面积质量比大于1m2/kg的一类卫星,诸如芯片卫星、智能微尘等都属于该类卫星,其动力学由于明显受到空间扰动力影响,具有姿态轨道耦合、轨道易漂移的显著特点。对于芯片卫星等高面质比卫星单星功能通常有限,一般以星座的方式完成空间任务,因此探讨高面质比卫星的平衡轨道求解问题,建立高面质比卫星的动力学与控制方法,研究高面质比卫星动力学与控制以及星座的长期演化规律,可以为高面质比卫星的应用提供理论基础。本论文针对高面质比卫星及其星座的动力学及其长期演化与控制问题,深入探讨了单个高面质比卫星在不同轨道高度的轨道特性、高面质比卫星星座的长期演化规律、高面质比卫星轨道机动方法等多方面内容,取得了如下研究成果:高面质比卫星在中低轨道上运行时,大气阻力和太阳光压与卫星面质比相关,是卫星的主要环境作用力。大气阻力将使得卫星轨道快速衰减,太阳光压可以增加轨道能量,这为探索光压摄动降低轨道衰减速度的思路提供了可能。通过求解地球引力、大气阻力和太阳光压共同作用下的平衡轨道,可以使得卫星在轨运行稳定。据此,根据平均化理论,建立了高面质比卫星轨道动力学,进而给出了轨道平衡方程,采用半解析方法对平衡轨道方程进行了求解,并给出了满足平衡轨道的初始条件。研究表明,在中低轨道上,根据轨道近地点和太阳、地球相对位置的不同,平衡轨道可以分为两类:一类是初始时刻轨道近地点在地日之间的平衡轨道,这类平衡轨道的初始轨道高度具有最大值,初始轨道偏心率相对较小,对于相同偏心率的轨道,初始轨道高度随面质比的增加而增加;另一类是轨道近地点在地日同侧的平衡轨道,这类平衡轨道方程的解的特点是轨道偏心率较高,并且初始轨道高度的可选范围较大。最后,对五种典型的高面质比卫星平衡轨道进行了长期演化仿真,仿真表明平衡方程的解能够保证高面质比卫星在轨长期稳定,并且第一类平衡轨道是稳定的。高面质比卫星通过多次随机搭载发射在轨形成卫星星座,可以增强覆盖率,完成多样化的空间任务。在大气阻力作用下,如何描述卫星星座的在轨状态,建立卫星星座演化分析方法是高面质比卫星星座面临的一个重要问题。为了研究高面质比卫星星座的长期演化,采用星座密度描述卫星在卫星星座中的分布情况。星座密度可以将随机的星座分布转化为一种可以定量表述的形式,从而将高面质比卫星星座状态分布从不确定转化为可分析的模式。根据卫星数目不变的假设,建立了星座密度微分方程。针对平衡轨道星座的长期演化问题,提出采用特征值方法,将星座密度微分方程的求解问题转化为一阶柯西问题,并对连续性方程进行了求解,实现了对卫星星座状态的定量化描述。假定在初始时刻卫星均匀分布于整个卫星星座时,对星座的长期演化进行了仿真,仿真结果表明当卫星星座位于平衡轨道上时,近地点和远地点的星座密度将在半个轨道周期后分别达到最小值和最大值。对于非平衡轨道星座,在大气阻力作用下,轨道越低,相应高度的星座密度下降趋势越明显,随着时间增加,卫星星座覆盖的轨道区间将逐渐增大,星座密度的最大值逐渐降低。在轨高面质比卫星如果具有主动控制功能,将会大大提高卫星在轨的灵活性。高面质比卫星通常不具有轨道推力器,因此,若能实现高面质比卫星的自主机动,将为高面质比卫星的在轨任务提供有效支撑。为了研究高面质比卫星的轨道机动方法,将卫星的轨道机动问题转化为一类兰伯特问题,采用迭代方法,给出了转移轨道的求解过程。为了使卫星能按转移轨道进行轨道机动,给出了一种制导方法,给出了在轨道转移过程中所需的加速度方向。根据高面质比卫星的特点,通过姿态机动完成卫星的指向性要求,从而改变卫星受力状态,进而实现高面质比卫星的轨道机动。对不同仿真场景下的仿真结果表明,轨道机动过程的速度精度和位置精度能够满足高面质比卫星变轨的需求。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V412.41
【图文】：

彩虹,轨道,实例

图 1-1 轨道彩虹Fig. 1-1 Orbiting Rainbows 给出了一种基于“轨道彩虹”计划的一个实例，从入轨到正骤：1）卫星入轨，形成卫星云；2）通过激光控制，消除）粗控制过程，采用光学控制形成二维平面；4）通过精细性的二维面，通过连续的图形控制或者光学控制，使得在道云的形状不变。在不同位置施加不同的光压，可以改变要进行波前控制时，可以对轨道云的形状重塑，从而提高常运行，多物镜光学系统寻找外行星；6）在遥测时，也可用。彩虹”空间光学系统与传统光学系统具有巨大优势，如表 1，其优点表现为[18]：量采用低成本、批量化的卫星航天器，实现大型在轨超轻光轨形成轨道云，可大可小，可以分散到几千控制范围内，并现光圈变化；道云便于生产、运输和部署；

生革命性的变化。在摄星计划中，探测器仅有几克重，通过地球上发射的激光脉冲，可以对探测器不断加速。激光随着距离的增加能量变弱，但由于探测器质量很轻，因此仍然能保持比较高的加速度，预计在半小时内，探测器的速度将达到光速的 1/5。探测器以这样的速度连续飞行，经过 20 年后，将达到并飞越半人马座阿尔法星系。在探测器飞越阿尔法星系的时候，将采集图像，并返回地球。探测器主要由两部分构成：“星芯片”[27-29]和“太阳帆”。星芯片的大小大约是计算机芯片大小，太阳帆的厚度仅有几百个原子的厚度。其中，星芯片上具有图像采集、敏感器和通信单元。探测器在星际飞行过程中，主要依靠太阳光提供动力，由于单位面积的太阳光压力很小，因此，星际旅行[30]所需的动力需要足够大面积的太阳帆。在火箭发射探测器的过程中，需要把太阳帆折叠放置并送入太空。探测器在空间飞行稳定后，展开太阳帆，并提供在轨所需要的动力。太空中是真空环境，因此太阳光压力作用在探测器上能够使其不断加速，提供轨道加速度[31]。在轨道控制的过程中，需要控制太阳帆的角度和方位，从而实现期望的轨道加速度，实现星际航行，并飞向阿尔法星。

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【参考文献】